KR101823168B1 - 하이브리드 구동 시스템을 가진 크레인 - Google Patents

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테렉스 엠하페에스 게엠베하
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Abstract

본 발명은 AC 전압회로(12)에 공급하는 3상 발전기를 가지는 디젤-전기 드라이브(11)를 포함하는 크레인에 대한 것으로서, AC 전압회로(12)에 연결된 DC 전압회로(17), 크레인의 적어도 하나의 회전 기구(d), 리프팅 기구(h) 및 러핑 기구(w)를 구동하는 전기 모터들, 적어도 하나의 제동 저항기(14), 과잉 에너지의 중간 저장을 위하여 AC 전압회로(12) 또는 DC전압회로(17)에 연결되는 단기간 에너지 저장부(13)를 포함한다. AC 전압회로(12)와 DC 전압회로(17) 사이의 에너지 교환이 가능하도록 전기모터들의 적어도 하나는 AC 전압회로(12)에 연결되고 적어도 하나는 정류기(16)를 거쳐 DC 전압회로(17)에 연결된다.

Description

하이브리드 구동 시스템을 가진 크레인{Crane comprising a hybrid drive system}
본 발명은 크레인에 대한 것으로서, 특히, 3상 발전기가 AC 전압회로를 공급하는 디젤-전기 드라이브를 가지며, AC 전압회로에 연결된 DC 전압회로를 가지며, 적어도 크레인의 회전 기구, 리프팅 기구 및 러핑 기구를 구동하는 전기 모터들을 가지며, 적어도 하나의 제동 저항기를 가지며, 과잉 에너지의 중간 저장을 위해 AC 전압회로 또는 DC 전압회로에 연결되는 단기간 에너지 저장부를 가지는 모바일 부두 크레인(mobile wharf crane)에 관한 것이다.
독일 특허공개 DE 10 2004 0101 988A1은 스트래들(straddle) 캐리어용 하이브리드 드라이브 시스템을 개시한다. 이러한 스트래들 캐리어들은 콘테이너 운송 및 적재용 항구 및 콘테이너 터미널에 사용된다. 하이브리드 드라이브 시스템은 3상 발전기를 구동하는 디젤 모터를 가지는 발전 유닛을 포함한다. 3상 발전기는 정류기를 통해 DC 전압 중간 회로에 공급하며 여기에 견인, 리프팅 및 보조 모터들이 인버터들을 통해 연결된다.
현재의 발전 유닛을 상당히 더 작고 더욱 간단하게 디자인하기 위하여, 스트래들 캐리어의 견인 드라이브를 구동하고 제동하거나 콘테이너를 인양하고 하강시킬 때 발생되는 바와 같은 에너지 조건들의 단기간 피크를 제어하기 위하여 충전/방전 조정기를 통해 단기간 에너지 저장부(short-term energy store)가 DC 전압 중간 회로에 연결된다. 이러한 단기간 저장부는 발전기-기초 방식으로 견인 및 리프팅 드라이브를 제동시 충전될 수 있으며, 따라서 견인 및 리프팅 드라이브에 의해 DC 전압 중간회로에 복귀된 에너지는 제동 저항기에 의해 열로 전환될 필요가 없다. 이와 같이 단기간 저장부는 이들 에너지 손실을 제거하며 에너지의 중간 저장부로서 사용된다. 단기간 에너지 저장부는 같이 연결되어 매우 높은 캐패시턴스를 가지며 또한 "울트라 캐패시터(ultra capacitor)" 또는 "울트라-캡(Ultra-Caps)"으로 알려진 이중층(double-layer) 캐패시터들로 형성된다.
단기간 에너지 저장부에 부가하여, 추가적인 충전/방전 조정기를 통해 DC 전압 중간회로에는 추가적인 에너지 저장부가 연결된다. 추가적인 에너지 저장부는, 예컨대, 몇 분간의 이동을 위해 발생되는 파워 조건에서 평균 피크를 충족하기 위하여 경량 고에너지 배터리, 특히, 염화나트륨, 니켈, 나트륨-황 또는 니켈-금속 수산화물 저장 배터리들로서 형성된다.
단기간 에너지 저장부 및 추가적인 에너지 저장부용 충전/방전 조정기는 조정가능한 2-사분면의 DC/DC 컨버터로서 형성된다. 또한, 발전 유닛에 연결된 전기 콘트롤러가 하이브리드 구동 시스템의 작동 상태에 따라 이들 저장부를 제어하기 위하여 단기간 에너지 저장부 및 추가적인 에너지 저장부에 제공된다.
미국 특허 제 7,554,278B2는 고무 타이어들과 입력측에 DC전압회로를 가지는 크레인의 하이브리드 드라이브 시스템을 개시하는 데, 이 회로는 한편으로는 내연기관에 의해 구동되며 하류에 배치된 정류기를 가지는 3상 발전기에 의해 전기 에너지가 공급되며, 다른 한편으로는 에너지 저장 시스템으로 사용되는 배터리 유닛에 의해 전기 에너지가 공급된다.
전기적으로 작동되는 크레인 구동 모터에 에너지를 공급하기 위하여, AC 전압회로가 또한 제공되는 데, 이것에 의해 모든 크레인 드라이브, 특히 리프팅 드라이브가 전기적으로 연결된다. 또 다른 스위칭 회로가 또한 제공되는 데, 이는 DC 전압회로에 연결될 수 있으며, 예컨대, 발전기-기초 방식으로 리프팅 드라이브를 제동하여 화물을 하강시 회수되는 전기 에너지는 에너지 저장 시스템의 배터리 유닛으로 충전을 위하여 공급될 수 있다.
또한, 독일 뒤셀도르프의 고트발트 포트 테크놀로지 게엠베바(Gottwald Port Technology GmbH)로부터의 현재 회사의 " 크레인 모델 4 (Hafencran-Modell 4)" 라는 제목의 브로셔로부터 소위 모바일 부두 크레인이 알려져 있으며, 이에 의해 콘테이너들 또는 벌크 재료가 항구나 콘테이너 터미널에서 취급된다. 이러한 모바일 부두 크레인은, 실질적으로 모바일 부두 크레인을 지면, 예컨대, 부두 또는 부유하는 가교 위에 지지하는 하부 캐리지와, 수직축 둘레로 회전가능하도록 하부 캐리지 위에 장착된 상부 캐리지로 구성된다. 하부 캐리지는 타이어들에 의해 부두 위에서 또는 레일 바퀴들에 의해 레일 위에서 이동할 수 있다.
취급 작동 동안, 하부 캐리지는 지주들에 의해 지지된다. 상부 캐리지 위에는 수직으로 연장하는 타워, 상부 캐리지의 회전 및 화물의 리프팅용 회전 및 리프팅 기구, 및 균형체(counterweight)가 배치된다. 또한, 대략 길이의 반의 영역에서 균형체로부터 먼 측에서 타워 위에 지브(jib)가 굽혀질 수 있게 설치된다. 지브는 수평 러핑축 둘레에 선회가능하도록 타워에 연결되며 또한 측방으로 돌출하는 작동 위치에서 하부 캐리지의 바닥에서 지브 위에 굽혀지는 러핑 실린더를 통해 수직의 대기 위치로 선회될 수 있다. 또한, 지브는 통상 격자 부움(lattice boom)으로 형성된다.
구동 디자인과 관련하여, 이러한 모바일 부두 크레인들은, 디젤 연료의 화학 에너지가 내연기관에 의해 기계적 에너지로 변환되고 3상 발전기에 의해 전기 에너지로서 AC 전압회로에 공급되는 디젤-전기 드라이브에 의해 작동하므로 일련의 하이브리드 시스템의 구조를 가진다.
리프팅 기구, 다른 드라이브들과 같이 회전 기구와 러핑 기구를 구동하기 위하여, 전기 에너지의 기계 에너지로의 새로운 변환이 발생하는 DC 전류 모터들 또는 3상 모터들이 사용되며, 이러한 전환된 힘은 화물을 들어올리고, 크레인을 이동시키고 회전시키거나 지브를 이동시키기 위하여 사용된다.
예컨대, 지브 위의 화물을 하강시키는 것에 의해 AC 전압회로에 공급된 에너지는 처음에는 대기 소비자들을 위하여 유용하게 된다. AC 전압회로에 과잉의 에너지가 존재하면, 이는 제동 저항기에 의해 열로 전환되고, 공급된 에너지는 제거되며, 즉 궁극적으로 상실된다.
이러한 선행기술에 기초하여, 본 발명의 목적은 크레인을 제작하는 것, 특히 개선된 하이브리드 드라이브 시스템을 가진 모바일 부두 크레인을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 크레인, 특히, 청구항 1의 특징을 가지는 모바일 부두 크레인에 의해 달성된다. 본 발명의 유익한 실시예들이 종속 청구항 2 내지 14에 기재된다.
본 발명에 따르면, 3상 발전기가 AC 전압회로를 공급하는 디젤-전기 드라이브를 가지며, AC 전압회로에 연결된 DC 전압회로를 가지며, 적어도 크레인의 회전 기구, 리프팅 기구 및 러핑 기구를 구동하는 전기 모터들을 가지며, 적어도 하나의 제동 저항기를 가지며, 과잉 에너지의 중간 저장을 위해 AC 전압회로 또는 DC 전압회로에 연결되는 단기간 에너지 저장부를 가지는 크레인, 특히 모바일 부두 크레인의 경우에, 하이브리드 드라이브 시스템의 향상이 각각의 경우, 전기 모터들의 적어도 하나가 AC 전압회로와 DC 전압회로에 연결되고 AC 전압회로와 DC 전압회로 사이의 에너지 교환이 가능하도록 AC전압회로는 정류기를 통해 DC 전압회로에 연결되는 것에 의해 달성된다.
발전기-기초 방식으로 드라이브를 제동함으로써 회수된 과잉 에너지를 저장하기 위한 단기간 에너지 저장부를 사용함으로써, 3상 발전기, 특히 디젤-전기 모터를 구동하기 위하여 제공된 내연기관의 작동 거동이 향상되어 연료 소비 및 그로 인한 오염물 배출이 저하되고 회수 에너지는 다른 방식으로 이용될 수 있다.
요구되는 조립체들의 의도된 모듈 구조 및 기능성의 경우, 기존의 모바일 부두 크레인들은 또한 연장부로서 단기간 에너지 저장부를 갖도록 개량될 수 있다.
또한, 제동 저항기가 제공되므로 단기간 에너지 저장이 이루어지지 않더라도 모바일 부두 크레인은 계속 정상 작동할 수 있음은 여전히 확실하다. AC 전압회로와 DC 전압회로를 연결하는 정류기는 회수 에너지를 공급할 수 있도록 형성되는 것이 특히 유익하다.
적어도 리프팅 기구와 러핑 기구의 전기 모터들이 AC 전압회로 또는 DC 전압회로에 전기 에너지를 역으로 공급하기 위하여 발전기-기초 방식으로 작동될 수 있는 것에 의해 에너지 회수는 유익한 방식으로 달성된다.
바람직한 실시예에서, 전기 모터들은 3상 모터들로 형성된다.
바람직한 실시예에서, DC 컨버터를 통해 DC전압회로에 단기간 에너지 저장부가 연결된다. DC 컨버터를 사용함으로써, 단기간 에너지 저장부는 전압 레벨에서 DC 전압회로와 동기화된다.
특히 유익한 방식으로, 단기간 에너지 저장부는 이중층 캐패시터로 형성된다. 이러한 이중층 캐패시터들은 긴 수명을 가지며, 보수가 필요하지 않으며, 가볍고 또한 높은 파워 밀도와 함께 낮은 에너지 밀도를 가진다. 따라서 이들은 단기간 에너지 저장부에 특히 적합하다.
배터리들과 비교하면, 이중층 캐패시터들에 의해 상당히 더 높은 파워가 수용되고 출력될 수 있으며 그들의 수명 측면에서 충전과 방전 사이의 신속하고 단기간의 변화에 의해 배터리들과 같이 크게 손상되지는 않는다. 부피당 에너지 용량이 배터리들보다 작지만, 이중층 캐패시터들이 모바일 부두 크레인의 화물 하강시, 몇 분의 비교적 단시간에 걸쳐 아주 높은 파워이나 더 낮은 에너지가 발생하고, 리프팅 및 다른 크레인 이동 동안 가속 공정에서 단지 단시간 동안 각 경우에 높은 피크 파워가 발생하므로, 이러한 성질은 이중층 캐패시터들이 모바일 부두 크레인에 사용하는 단기간 에너지 저장부로서 우수한 것을 의미한다.
바람직한 실시예에서, 정류기를 통해 AC전압 중간회로에 제동 저항기가 연결된다.
또한 러핑 기구의 적어도 전기모터가 AC 전압회로에 연결되면 특히 유익하다.
본 발명과의 조합에서, 회전기구가 인버터를 거쳐 DC전압회로에 연결되는 3상 모터를 포함하고, 리프팅 기구는 인버터를 거쳐 DC전압회로에 연결된 3상 모터를 포함하며, 러핑 기구는 AC 전압회로에 직접 연결된 3상 모터를 포함하는 것이 유익하다. 기존의 AC 전압회로는 이어서 기존의 모바일 부두 크레인의 전기 시스템의 디자인을 변경하면서 단기간 에너지 저장부로 개량될 수 있다.
특히 유익한 방식으로, 작동 모드를 통해 조정되는 파워 콘트롤러가 디젤-전기 드라이브, 제동 저항기 또는 그 정류기, 단기간 에너지 저장부에 연결되고 단기간 에너지 저장부를 제어하며 필요하면 3상 발전기에 배정된 능동 파워미터의 데이터와 단기간 에너지 저장부의 충전 상태를 기초로 제동 저항기를 제어한다. 작동 방식(strategy)으로서 회수(recuperation) 방식 또는 소형화(downsizing) 방식이 사용된다.
회수 방식과 관련해서, 주 목적은 AC 전압회로에 복귀 공급되는 모든 에너지를 받아서 제동 저항기를 사용하는 것을 피하는 것이다. 소형화 방식의 주요 목적은 또한 파워 손실 없이 축소된 내연기관과 축소된 3상 발전기를 가진 모바일 부두 크레인을 동작시키도록 디젤-전기 드라이브에 기초한 파워 요건을 제한하는 것이다.
이러한 소형화 방식에서, 단기간 에너지 저장부는 일반적으로 내연기관의 최대 파워가 도달되면 단지 승압(boost) 상태에 진입할 것이다.
본 발명에 따르면, 에너지 절감을 최적화하기 위하여, 이중층 캐패시터의 거동 및 잔여 시스템의 상태는 우선적으로 발전기의 측정된 능동 파워와 저장부의 충전 상태에 의존하여 규정된다. 단기간 에너지 저장부의 제어된 파워 출력에 의해, 내연기관의 가혹한 부하 조건이 피해진다. 유연한 시작은 급격한 부하를 방지하여, 내연기관의 비연속적인 소비 및 배기 방출 거동에 긍정적인 영향이 발생된다.
특히 유익한 방식으로, 파워 콘트롤러를 거쳐 단기간 에너지 저장부는 디젤-전기 드라이브의 규칙적인 승압 동안 일정한 방전 파워로 조정되거나 대응하는 파워 수요의 경우, 디젤-전기 드라이브의 승압 동안, 단기간 에너지 저장부의 충전 상태가 충전 페이스 후의 최대값에 근접하면 일정한 방전 파워보다 높은 방전 파워가 유용하도록 파워 콘트롤러를 거쳐 조정되게 구성된다.
일정한 방전 파워에의 조정은 규칙적인 승압 동안의 단기간 에너지 저장부의 효율 정도를 증가시킨다. 그러나, 이는 본 발명의 범위 내에서 승압 동안 소비자의 대응하는 파워 요구의 경우, 특히, 단기간 에너지 저장부의 충전 상태가 충전 페이스(phase) 후의 최대값에 근접한 때로부터 일정한 방전 파워가 벗어나는 것을 배제하지 않는다.
일 실시예에 따르면, 단기간 에너지 저장부에 대해 충전상태 하한(lower limit)과 충전상태 상한(upper limit)은 파워 콘트롤러를 통해 규정된다. 따라서, 단기간 에너지 저장부는 인버터의 하부 전압조정범위 또는 단기간 에너지 저장부의 사용가능한 충전 상태범위에 의해 규정되는 고정된 충전상태 하한으로 방전된다.
충전상태 하한은 충전상태 상한의 25%로 정의된다. 이러한 설계는 또한 전압이 더 높으면 단기간 에너지 저장부의 내부 저항에 기인하여 손실이 더 작아지기 때문에 효율성을 최적화하기 위하여 사용된다. 가능한 높은 전압 범위인 단기간 에너지 저장부의 작동 범위가 방전을 위해 규정된 하부 충전 상태 위인 경우, 이 점이 고려된다.
본 발명에 따르면, 본 발명의 추가적인 특징에 따라, 단기간 에너지 저장부의 파워 출력이 승압 작동과 정상 작동 사이의 절환 리미트에 근접하게 감소되면, 이어서 단기간 에너지 저장부를 차단시 내연기관에 대한 가혹한 부하 조건이 피해진다. 이는 소비 및 내연기관의 배기 방출 거동에 긍정적인 영향을 미친다.
크레인의 하이브리드 드라이브 시스템의 에너지 회수 성능은, 러핑 기구가 유압 실린더와 유압 펌프를 포함하며 유압 펌프를 구동하는 전기 모터가 에너지를 회수 공급할 수 있는 사실에 의하여 유익한 방식으로 증가된다.
본 발명의 예로서의 실시예가 도면들과 관련하여 이하에서 설명될 것인 데, 여기에서:
도 1은 모바일 부두 크레인을 도시하는 도면이며; 및
도 2는 도 1의 모바일 부두 크레인의 하이브리드 드라이브의 회로도를 도시한다.
도 1은 표준화된 콘테이너들, 특히 ISO 콘테이너들을 지면(land)과 물 사이, 또는 물과 지면 사이 또는 콘테이너 터미널 내부에서 취급하기 위한 모바일 부두 크레인(1)을 도시하는 도면이다. 모바일 부두 크레인(1)은 또한 벌크(bulk) 물질을 취급하기 위한 그리퍼가 장착될 수 있다. 모바일 부두 크레인(1)은 대체로 하부 캐리지(2)와, 타워(4) 및 지브(5)를 가지는 상부 캐리지(3)로 구성된다.
종래 방식에서는 모바일 부두 크레인(1)은 하부 캐리지(2)를 거쳐, 지면, 이 경우, 부두(7) 위에 지지된다. 모바일 부두 크레인(1)은 휠타이어 이동기구(6)에 의하여 하부 캐리지(2)를 거쳐 부두(7) 위에서 이동할 수 있으며, 취급 작동 동안 지주(8)를 거쳐 부두 위에 지지된다. 모바일 부두 크레인(1)은 또한 레일 위로 이동할 수 있으며 또는 고정 방식으로 부유하는 가교(pontoon) 위에 장착될 수 있다. 회전 기구(d)를 통해 수직 회전축(D) 둘레로 선회할 수 있는 상부 캐리지(3)는 하부 캐리지(2) 위에 장착된다. 회전 기구(d)는 보통 구동 치형 바퀴와 결합된 비틀림 링을 구비한다. 상부 캐리지(3)는 또한 후방 영역에서 리프팅 기구(h)와 균형체(9)를 지지한다.
또한 상부 캐리지(3) 위에는 수직으로 연장하는 타워(4)가 지지되며 그 말단에는 케이블 풀리가 부착된다. 또한, 타워(4) 위에는 그 길이의 대략 반의 영역에서 균형체(9)로부터 먼 측면에 지브(jib)(5)가 분절식으로 장착된다. 지브(5)는 수평 러핑축(W) 둘레에 선회가능하도록 타워(4)에 연결되며 지브(5) 위에 상부 캐리지(3)의 바닥에서 분절식으로 장착되며 통상적으로 유압실린더로서 형성되는 러핑 기구를 거쳐 측방으로 돌출하는 위치로부터 수직 러핑 위치로 선회될 수 있다.
더욱이, 지브(5)는 통상적으로 격자 부움(lattice boom)으로 형성된다. 타워(4)로부터 멀리 위치되는 지브(5) 말단 위에 회전가능한 방식으로 추가적인 케이블 풀리들이 장착되며 그를 통해 리프팅 케이블들이 리프팅 기구(h)로부터 풀리헤드(10)를 거쳐 인양되는 화물까지 안내된다.
도 2는 도 1의 모바일 부두 크레인(1)의 하이브리드 드라이브의 회로도를 도시한다. 서두에서 설명된 바와 같이, 드라이브 디자인 면에서, 이러한 모바일 부두 크레인은 연속적인 하이브리드일 수 있는 데, 디젤 연료의 화학 에너지가 내연기관(11a)에 의해 기계적인 일로 전환되는 디젤-전기 드라이브(11)에 의해 작동하기 때문이다.
내연기관(11a)은 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하고 그것을 AC 전압회로(12)에 공급하는 3상 발전기(11b)를 구동한다. 3상 발전기(11b)는 440V의 전압 레벨을 가진 3상 교류 전류를 발생한다. AC 전압회로(12) 외에, 모바일 부두 크레인(1)의 다른 전기 모터들을 위한 에너지를 공급하기 위한 파워 공급은 정류기(16)를 거쳐 AC 전압회로(12)에 연결되는 DC 전압회로(17)를 포함한다. 예컨대, 발전기-기초의 제동 또는 발전기-기초의 전기모터의 작동에 의해 회수된 전기에너지가 전압 회로(12, 17)들의 하나에서 과잉 에너지를 발생하고 다른 전기모터는 에너지 부족을 가지면, 정류기(16)에 의해 AC 전압회로(12)와 DC전압회로(17) 사이의 에너지 교환이 가능하다.
러핑 기구(w)의 드라이브는 AC 전압회로(12)에 연결되고 다른 소비자들, 특히 러핑 기구(w)와 회전기구(d)의 각각의 드라이브는 DC 전압회로(17)에 연결되며, 여기에서 전기 에너지의 기계적 에너지로의 새로운 복귀 전환이 발생하고, 이는 지브(5)의 러핑, 화물의 인양, 또는 모바일 부두 크레인(1)의 회전을 위해 사용된다. 리프팅 기구(h)와 회전 기구(d)는 바람직하게는 비동기식 모터들이며 각각 인버터(h2, d2)를 거쳐 DC 전압회로(17)에 연결되는 전기 3상 모터(h1, d1)를 포함한다. 이 인버터(h2, d2)들에서, DC 전압은 AC 전압으로 변환된다.
그러나, 유사하게 3상 모터(h1, d1)들을 AC 전압회로(12)에 연결할 수 있다. 러핑 기구(w)에 대해, 일정 속도로 작동하는 3상 모터(w1)는 AC 전압회로(12)에 연결되며, 이는 유압 펌프(w2), 특히 축방향 피스톤 펌프를 구동한다. 유압 펌프(w2)는 유압 실린더(w3)에 연결되며 이를 통해 모바일 부두 크레인(1)의 지브(5)는 러핑축(W) 둘레로 선회될 수 있다. 유압 펌프(w2)와 3상 모터(w1)는 과잉 에너지가 회수될 수 없고 인덕터들을 통해 방출되도록 형성될 수 있다. 그러나, 유사하게 유압 펌프(w2)와 3상 모터(w2)는 에너지를 역으로 공급할 수 있는 데, 이는 에너지가 AC 전압회로(12) 또는 DC 전압회로(17)에도 정류기(16)를 거쳐 역으로 공급될 수 있음을 의미한다.
또한, 예시되지 않은 추가적인 드라이브들이 제공되며 직접 내연기관(11a)에 연결되거나 또는 AC 전압회로(12)에 연결된다. 예컨대, 모바일 부두 크레인(1)용 드라이브 또는 4-케이블의 벌크 물질 그리퍼를 개폐하기 위한 드라이브들이 여기 설명될 수 있다. 3상 모터들에 의해 작동되는 대응하는 드라이브들이 유사하게 정류기를 거쳐 DC 전압회로(17)에 연결될 수 있다. 또한 DC 모터들을 거쳐 이들 드라이브들을 구동하고 이들 드라이브들을 DC 전압회로(17) 또는 AC 전압회로(12)에 인버터들을 거쳐 연결할 수 있다. AC 전압회로(12) 및 DC 전압회로(17)의 배치에 기인하여, 이와같이 각 드라이브들에 사용되는 모터들을 변경할 수 있다.
소위, 3상 모터(d1, h1, 및 w1)의 발전기-기초의 제동 동안, AC 전압회로(12) 또는 DC 전압회로(17)에 역으로 공급되는 에너지를 회수하기 위하여, 단기간 에너지 저장부(13)는 DC 전압회로(17)에 연결된다. 이러한 단기간 에너지 저장부(13)로부터 회수될 수 있는 에너지는 실질적으로 화물의 하강 및 제동 동안 발생되며 리프팅 기구(h)의 3상 모터(h1)의 발전기-기초의 제동에 의해 발생된다.
에너지를 역으로 공급할 수 있는 유압 펌프(w2)와 3상 모터(w1)가 사용되면, 이어서 유압 펌프(w2)로부터 회수된 에너지는 또한 단기간 에너지 저장부(13)에 의해 수용될 수 있다. 그러나, 원리적으로, 각 전기모터들은 역으로 에너지를 공급할 수 있도록 형성될 수 있고 AC 전압회로(12) 또는 DC 전압회로(17)에 연결될 수 있다. 그러므로, 적어도 간접적으로, 에너지 파워 공급원의 두 전압회로(12, 17)들은 에너지 저장 시스템 또는 단기간 에너지 저장부(13)에 연결된다.
예컨대, 단기간 에너지 저장부(13)가 에너지 또는 추가적인 에너지를 저장할 수 없는 때, 제동 저항기(14)가 AC 전압회로(12)에 연결된다. 이러한 제동 저항기(14)를 거쳐 3상 모터((d1, h1, 및 w1)의 발전기-기초의 제동에 의해 역으로 AC 전압회로(12)에 공급된 전압은 열로 전환되어 제거되지 않는다.
DC 전압회로(17)에 단기간 에너지 저장부(13)를 구성함으로써, 모바일 부두 크레인(1)의 하이브리드 드라이브의 여러 새로운 작동 상태들이 발생된다. 이전의 통상적인 작동 상태의 " 정상 작동(normal operation)" 즉, 모바일 부두 크레인(1)의 작동 동안 발생하는 다른 부하 조건들을 내연기관(11a)이 만족하는 정상 작동과, DC 전압 회로(17)를 거쳐 AC 전압회로(12)에 역으로 공급된 에너지가 제동 저항기(14)들에서 열로 변환되는 "저항기 제동" 상태 외에, 추가적인 작동 상태들이 있다.
구체적으로, 이하와 같은 작동 상태들이 있다: 단기간 에너지 저장부(13)를 충전함으로써 효율성을 향상시킨 더욱 유리한 작동 범위에서 내연기관(11a)이 작동되는 "부하점 증가(load point increase)", 단기간 에너지 저장부(13)에 의해 내연기관(11a)을 지지하는 것에 관련되는 " 승압(boost) ", AC 전압 중간회로(12)에 역으로 공급된 에너지에 의해 저장부를 충전하는 것에 관련하는 " 저장부 제동" 및 “저장부 제동”과 “저항기 제동” 작동 상태들의 혼합된 형태인 “저장부/저항기 제동"이 있다.
단기간 에너지 저장부(13)가 완전히 충전되면, "저항기 제동"이 발생한다. 제동 저항기(14)는 정류기(14a)를 거쳐 AC 전압회로(12)에 연결되며 이와 같이 제동 저항기(14)는 필요한 대로 절환될 수 있다. 전체의 파워 미터를 거쳐 제어가 실행된다. 에너지 면에서 이는 유리하다.
단기간 에너지 저장부(13)는 "울트라캡(Ultracaps)", 또는 "슈퍼캡(Supercaps)"으로 또한 불리는 이중층 캐패시터로서 형성된다. 이러한 이중층 캐패시터들은 긴 수명을 가지며, 보수의 필요가 없으며, 경량이고 고 파워 밀도와 함께 낮은 에너지 밀도를 가진다. 이는 단기간 에너지 저장부로서 결과적으로 특히 적합하다. 배터리들과 비교하면, 상당히 더 높은 파워들이 이중층 캐패시터들에 의해 수용되거나 출력될 수 있다. 부피당 에너지 량이 배터리들보다 작지만, 이러한 성질들은 모바일 부두 크레인(1)의 화물의 하강시 리프팅 및 다른 크레인 운동 동안 몇 초의 비교적 단 기간의 시간 및 가속 과정에 대해 극히 높은 파워이나 낮은 에너지가 발생하고, 각 경우에 높은 피크 파워는 단지 짧은 시간 동안 발생하므로 이중층 캐패시터들이 모바일 부두 크레인들에 사용되는 단기간 에너지 저장부로서 우수함을 의미한다. 회전 기구(d)는, 모바일 부두 크레인(1)의 상부 캐리지(3)의 회전 운동이 느리고 따라서 가속 및 제동 과정들이 짧고 에너지가 낮기 때문에, AC 전압 중간회로(12)에 역으로 작은 양의 에너지를 공급할 뿐이다.
단기간 에너지 저장부(13)는 사이에 DC 컨버터(13a)가 연결되는 양 방향식으로 DC 전압회로(17)에 연결된다. DC 컨버터(13a)는 전압을 DC 전압회로(17)에 적응시키는 작용을 수행한다.
내연기관(11a)의 작동 거동에 대해 긍정적인 영향을 미치는 단기간 에너지 저장부(13)에 기인하여 일련의 추가적인 기능들이 추가될 수 있다.
따라서, 연료를 더욱 절감하는 외에, 발생된 오염물 방출이 또한 상당히 감소될 수 있다. 단기간 에너지 저장부(13)에 의해 대응하는 승압에 의해 내연기관(11a)의 유연한 시동이 가능하다. 이로써 급속하고 가혹한 내연기관(11a)에 대한 부하 조건들이 피해진다. 이는 단기간의 소비 및 내연기관(11a)의 배기 방출 거동에 긍정적인 영향을 미친다.
한정가능한 모터 기초의 부하가 또한 능동 파워 조건에 제공된다. 이와 같이 내연기관(11a)은 급속 부하 조건에 따라 더욱 신속하게 반응할 수 있다. 또한, 단기간 에너지 저장부(13)의 파워는 " 승압 " 및 " 정상" 작동 사이의 절환 리미트에 근접하도록 점차로 감소되는 것이 확실하다. 이는 재차 승압 작동이 종료되면 내연기관(11a)에 대한 가혹한 부하 조건을 회피한다.
단기간 에너지 저장부(13)는 파워 콘트롤러(15), 소위 파워 조정기를 거쳐 조절되며, 즉, 단기간 에너지 저장부(13)의 충전/방전 파워는 양 및 기간의 면에서 고정된다. 파워 콘트롤러(15)는 사용된 작동 모드에 의해 계수화된다. 파워 조정기는 또한 단기간 에너지 저장부(13)의 충전으로부터 제동 저항기(14)의 사용으로의 계수화를 제어한다. 이와 같이 파워 콘트롤러(15)의 특수 과제는 단기간 에너지 저장부(13)에서의 중간 저장 동안 발생하는 손실을 피하기 위하여 AC 전압회로(12) 또는 DC 전압회로(17)에 연결되는 드라이브 또는 3상 모터(d1, h1, 및 w1)에 과잉 에너지가 직접 공급되는 것을 보장하는 것이다.
소비자의 에너지 요구가 전혀 없는 경우에 중간 저장이 실행되며 동시에 단기간 에너지 저장부(13)는 여전히 자유 충전 성능을 가진다. 이와 같이 제동 저항기(14)는 구동 모터들과 3상 모터(d1, h1, 및 w1)들의 하나가 에너지의 역방향 공급 레벨에서 에너지 요구를 갖지 않거나 단기간 에너지 저장부(13)가 상응하는 에너지 양을 수용할 수 없는 경우에 비상 시스템으로서 사용된다.
회수 방식 또는 소형화 방식은 작동 상태로서는 선택적으로 사용된다. 회수 방식과 관련해서, 주요 목적은 AC 전압회로(12) 또는 DC 전압회로(17)에 역으로 공급되는 모든 에너지를 수용하여 제동 저항기(14)들의 사용을 피하는 것이다. 부하점 증가는 이러한 작동 방식에서는 사용되지 않는다. 규칙적인 승압 동안, 단기간 에너지 저장부(13)는 일정한 파워로 방전된다. 이러한 방전 파워는 작게 선택되므로 단기간 에너지 저장부(13)는 다음 충전 사이클에서 전체 회수 에너지가 수용될 수 있을 때까지 방전된다.
그러므로, 단기간 에너지 저장부(13)는 가능한 한 높은 효율성을 가진다. 이러한 취지에서, 낮은 SOC(충전 상태) 리미트는 단기간 에너지 저장부(13)의 작동 범위가 최대 가능한 전압 범위가 되도록 방전에 대해 정의된다(충전 상태, 0; 완전 방전, 1: 완전 충전). 이는 또한 단기간 에너지 저장부(13)의 내부 저항에 기인하여 전압이 높을수록 손실이 작아지므로 효율성을 최적화하기 위하여 사용된다. 몇몇 경우에, 일정한 방전 파워는 또한 승압 동안 피해질 수 있다. 예컨대, 대응하는 파워 수요의 경우, 시스템은 단기간 에너지 저장부(13)의 충전 상태가 충전 페이스 후의 최대값에 근접하면 최대 방전 파워로 승압될 수 있다.
소형화 방식의 주요 목적은 축소된 내연기관(11a) 및 축소된 3상 발전기(11b)를 가진 모바일 부두 크레인(1)을 파워 손실 없이 작동시킬 수 있도록 디젤-전기 드라이브(11)의 파워 조건을 제한하는 것이다. 이를 보장하기 위하여, 단기간 에너지 저장부(13)는 또한 AC 전압회로(12)에의 역으로 공급되는 에너지 외에 내연기관(11a)의 부하점 증가에 의한 충전을 수용한다.
이는 상부 SOC 리미트에 의해 조절될 수 있다. 단기간 에너지 저장부(13)는 고정된 하부 SOC 리미트로 방전될 수 있다. DC 컨버터(13a)의 하부전압 조정범위 SOC>0.25로 또는 단기간 에너지 저장부(13)의 사용가능한 SOC 범위에 의해 이것은 규정된다. 이러한 소형화 방식에서, 단기간 에너지 저장부(13)는 일반적으로 내연기관(11a)의 최대 파워에 도달시 승압 상태에 진입할 것이다.
작동 방식 외에, 단기간 에너지 저장부(13)의 조정된 파워에 추가적인 요인들이 영향을 미친다. 사용된 DC 컨버터(13a)는 가능한 전압 조정범위에 기인하여 가능한 파워 양을 제한한다. 또한, 단기간 에너지 저장부(13)의 온도는 과열로 인한 사용 수명의 단축을 방지하기 위해 감시된다.
파워 콘트롤러(15)에 의해 단기간 에너지 저장부(13)를 제어하는 기본 원리는 3상 발전기(11b)의 측정된 능동 파워를 한정된 소정 범위로 조정하는 것이다. 단기간 에너지 저장부(13)의 저장 성능을 조정함으로써 교정이 실행된다. 또한, 파워 콘트롤러(15)는 또한 제동 저항기(14)의 정류기(14a)를 제어한다. 단기간 에너지 저장부(13)에 대한 충전 파워가 충분하지 못한 경우, 과잉 파워는 제동 저항기(14)에서 열로 변환된다. 이와 같이, 이전에 설명한 작동 상태는 자동으로 조정된다.
또한, 파워 콘트롤러(15)는 제한 모듈을 구비하는 데, 이것에 의해 선택된 작동 방식 및 관련 변수들이 파워 콘트롤러(15) 내에서 형성된다. 단기간 에너지 저장부(13)에 의존하는 절환 리미트, DC 컨버터(13a)의 전압조정범위에 의한 제한 및 온도 모니터링이 내부에 구축된다. 가변 증가는 단기간 에너지 저장부(13)의 DC 컨버터(13a)용의 규정가능한 램프(ramp) 시간을 나타낸다. 내연기관(11a)의 유연한 시동과 승압 과정으로부터의 유연한 방출은 이로써 보장된다.
기존의 모바일 부두 크레인(1)은 조립체 및 기능성의 모듈 구조로 인해 단기간 에너지 저장부(13)를 연장부로서 개량할 수 있다. 단기간 에너지 저장부(13) 외에 제동 저항기(14)의 계속적인 배치는 모바일 부두 크레인(1)이 단기간 에너지 저장부(13)가 손상되는 경우에도 모바일 부두 크레인(1)은 계속 작동할 수 있는 것을 보장한다.
파워 콘트롤러(15)와 작동 방식은 DC 컨버터(13a)와 단기간 에너지 저장부(13)를 제어하는 프로그램가능한 로직 콘트롤러(PLC)에 구현된다. 파워 콘트롤러(15)의 기본 원리는 3상 발전기(11b)의 파워 출력을 연속해서 측정하고 이러한 정보를 제동 저항기(14)의 정류기(14a) 및 단기간 에너지 저장부(13)의 DC 컨버터(13a)에서 사용가능하게 해주는 능동 파워미터(11c)의 아날로그 신호이다. 제동 저항기(14)가 이 시스템에 잔류하여 단기간 에너지 저장부(13)가 손상되거나 또는 제동 에너지의 전체 양을 수용할 수 없으면 사용된다.
파워 콘트롤러(15)는 버스 시스템을 통해, 모바일 부두 크레인(1)에는 도시되지 않은 상위 주 콘트롤러와 통신한다. 콘트롤러들이 사용하는 버스 시스템에 따라, 인터페이스를 통해 통신이 이루어진다. 예컨대, 단기간 에너지 저장부(13)와 통신하기 위하여, 파워 콘트롤러(15)는 J1939 BUS를 사용하며, DC 컨버터(13a)와 통신하기 위하여 모바일 부두 크레인(1)의 주 콘트롤러에 의해 또한 사용되는 CAN OPEN BUS를 사용한다.
1: 모바일 부두 크레인(Mobile wharf crane) 2: 하부 캐리지
3: 상부 캐리지 4: 타워 5: 지브(Jib)
6: 휠타이어 이동기구 7: 방파제(Quay) 8: 지주(Stanchions)
9: 균형체(Counterweight) 10: 풀리헤드 11: 디젤-전기 드라이브
11a: 내연기관 11b: 3상 발전기 11c: 능동 파워미터
12: AC 전압회로 13: 단기간 에너지 저장부
13a: DC 컨버터 14: 제동 저항기 14a: 정류기
15: 파워 콘트롤러 16: 정류기 17: DC 전압회로
d: 회전 기구 d1: 3상 모터 d2: 인버터
h: 리프팅 기구 h1: 3상 모터 h2: 인버터
w: 러핑(luffing) 기구 w1: 3상 모터 w2: 유압 펌프
w3: 유압 실린더 D: 회전축 W: 러핑축

Claims (15)

  1. 3상 발전기(11b)가 AC 전압회로(12)를 공급하는 디젤-전기 드라이브(11)를 가지며, 상기 AC 전압회로(12)에 연결된 DC 전압회로(17)를 가지며, 적어도 크레인의 회전 기구(d), 리프팅 기구(h) 및 러핑 기구(w)를 구동하는 전기 모터들을 가지며, 적어도 하나의 제동 저항기(14)를 가지며, 과잉 에너지의 중간 저장을 위해 상기 AC 전압회로(12) 또는 상기 DC 전압회로(17)에 연결되는 단기간 에너지 저장부(13)를 가지는 크레인에 있어서,
    상기 AC 전압회로(12)와 상기 DC 전압회로(17) 사이에 에너지 교환이 가능하도록, 각 경우에 적어도 하나의 전기모터가 상기 AC 전압회로(12)에 연결되고, 적어도 하나의 전기모터가 상기 DC 전압회로(17)에 연결되고, 상기 AC 전압회로(12)는 정류기(16)를 거쳐 상기 DC 전압회로(17)에 연결되는 것을 특징으로 하는 크레인.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 리프팅 기구(h) 및 상기 러핑 기구(w)의 적어도 전기모터(h1, w1)들은 상기 AC 전압회로(12) 또는 상기 DC 전압회로(17)에 역으로 전기 에너지를 공급하기 위하여 발전기로 구동되는 것을 특징으로 하는 크레인.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 모터(d1, h1, 및 w1)들은 3상 모터로서 형성되는 것을 특징으로 하는 크레인.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 단기간 에너지 저장부(13)는 DC 컨버터(13a)를 거쳐 상기 DC 전압회로(17)에 연결되는 것을 특징으로 하는 크레인.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 단기간 에너지 저장부(13)는 이중층 캐패시터로서 형성되는 것을 특징으로 하는 크레인.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제동 저항기(14)는 정류기(14a)를 거쳐 상기 AC 전압회로(12)에 연결되는 것을 특징으로 하는 크레인.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 러핑 기구(w)의 적어도 전기모터(w1)는 상기 AC 전압회로(12)에 연결되는 것을 특징으로 하는 크레인.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전 기구(d)는 인버터(d2)를 거쳐 상기 DC 전압회로(17)에 연결되는 3상 모터(d1)를 구비하며, 상기 리프팅 기구(h)는 인버터(h2)를 거쳐 상기 DC 전압회로(17)에 연결되는 3상 모터(h1)를 구비하며, 상기 러핑 기구(w)는 상기 AC 전압회로(12)에 직접 연결되는 3상 모터(w1)를 구비하는 것을 특징으로 하는 크레인.
  9. 제 6항 내지 제 8항 중의 어느 한 항에 있어서,
    작동 방식을 거쳐 조정되는 파워 콘트롤러(15)는, 상기 디젤-전기 드라이브(11), 상기 제동 저항기(14) 또는 그 정류기(14a), 상기 단기간 에너지 저장부(13)와 상기 단기간 에너지 저장부(13)의 DC 컨버터(13a)에 연결되고 상기 단기간 에너지 저장부(13)를 제어하며 필요시 상기 3상 발전기(11b)에 배분된 능동 파워 미터(11c)의 데이터와 상기 단기간 에너지 저장부(13)의 충전 상태에 기초하여 상기 제동 저항기(14)를 제어하는 것을 특징으로 하는 크레인.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 파워 콘트롤러(15)를 거치는 상기 단기간 에너지 저장부(13)는, 디젤-전기 드라이브(11)의 규칙적인 승압 동안 일정한 방전 파워로 조정되거나 또는 대응하는 파워 요청의 경우 상기 디젤-전기 드라이브(11)의 승압 동안 상기 단기간 에너지 저장부(13)의 충전 상태가 충전 후의 최대값에 근접할 때, 일정한 방전 파워보다 높은 방전 파워가 사용가능하도록 상기 파워 콘트롤러(15)를 거쳐 조정되는 것을 특징으로 하는 크레인.
  11. 제 10항에 있어서,
    충전상태 상한과 충전상태 하한은 상기 단기간 에너지 저장부(13)의 상기 파워 콘트롤러(15)를 통해 규정되는 것을 특징으로 하는 크레인.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 충전상태 하한은 상기 충전상태 상한의 25%로 규정되는 것을 특징으로 하는 크레인.
  13. 제 9항에 있어서,
    상기 파워 콘트롤러(15)를 거치는 상기 단기간 에너지 저장부(13)의 파워 출력은 상기 디젤-전기 드라이브(11)의 승압 작동과 정상 작동 사이의 절환 리미트에 근접하도록 감소되는 것을 특징으로 하는 크레인.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 러핑 기구(w)는 유압 실린더(w3)와 유압 펌프(w2)를 구비하며, 상기 유압 펌프(w2)를 구동하는 상기 전기모터(w1)는 역으로 에너지를 공급할 수 있는 것을 특징으로 하는 크레인.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 크레인은 모바일 부두 크레인인 것을 특징으로 하는 크레인.
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